整體葉輪五軸數控加工與仿真優化研究

楊 飛 張 虎 宋佳娜

(無錫職業技術學院 機械技術學院， 江蘇 無錫 214121)

整體葉輪是增壓裝置的核心部件，在航空、能源、水利水電、石化、汽車等領域有著廣泛的應用。為了滿足整體葉輪的動力學性能，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結構，并需要較高的形狀精度和較好的表面質量，這都給整體葉輪的工藝設計和加工提出了較高的要求[1]。

本文以企業實際生產的某型增壓裝置的整體葉輪為例，應用CATIA軟件對整體葉輪逆向造型設計，采用Cimatron軟件編制整體葉輪的NC程序，通過 Vericut軟件進行整體葉輪的加工仿真和程序優化，最后采用優化后的程序在DMU60 monoBLOCK五軸數控機床上對整體葉輪進行實際加工，提高了整體葉輪的加工效率和表面質量，縮短了加工周期，降低了生產成本。

1 葉輪的設計

逆向技術應用計算機圖形與設計軟件，對產品快速反求設計，縮短產品研制周期，尤其對沒有原始幾何信息的零件，逆向技術往往是完成零件精確幾何造型的有效手段。整體葉輪的逆向設計流程如下：數據采集(3D掃描)、數據(點云)處理、曲線擬合、曲面擬合、實體建模，得到整體葉輪三維模型，如圖1所示。

圖1 整體葉輪三維模型

2 整體葉輪的加工特點和加工工藝

2.1 整體葉輪的加工特點

文中的整體葉輪中有5片一級葉片和5片二級葉片，葉片直徑為Φ88 mm，葉片厚度為0.90 mm，葉片曲面和流道曲面之間的過渡圓角為半徑5 mm，相鄰葉片間最小距離為8.10 mm,葉片的最大投影距離為22.67 mm。在加工之前，將整體葉輪劃分為：葉輪葉片曲面、葉輪流道曲面、包覆曲面和過渡圓角，如圖2所示。

圖2 葉輪加工區域劃分

整體葉輪加工的難點在于：其葉片較薄，剛性較低，加工過程中極易發生變形；葉片曲面為自由曲面，扭曲形成倒扣面，相鄰葉片的間距較小，加工過程中極易與刀具、刀柄等發生干涉；葉輪的流道曲面狹窄，在清角加工和精加工時，刀具的直徑小、剛度低，容易折斷[2]。

2.2 整體葉輪的加工工藝分析

(1) 整體葉輪的加工方案。整體葉輪的加工區域主要是葉輪的葉片曲面和流道曲面，其加工過程分為粗加工、半精加工和精加工。

為保證葉輪的強度，選擇鍛鋁材料作為毛坯，初始毛坯選擇為Φ90 mm×200 mm的棒材；為保證葉片曲面的表面質量和形狀精度，選用五軸機床DMU60 monoBLOCK加工整體葉輪[3]。在滿足葉輪使用要求、提高加工效率的準則下，確定加工方案流程圖，如圖3所示。

圖3 整體葉輪加工方案流程

(2) 切削參數的確定。切削參數包括：背吃刀量、進給量和切削速度。在實際的加工中，切削參數是影響零件表面質量和加工效率的重要因素。

背吃刀量一般要根據工藝系統的剛度確定，如機床的剛度、刀具和工件的剛性等，工藝系統的剛性越大，背吃刀量越大，反之則背吃刀量越小；進給量的選取要與零件的表面粗糙度適應，并兼顧其精度的要求；在保證刀具的耐用度的情況下，提高零件的表面質量和加工效率，確定合適的切削速度。同時要根據經驗、機床精度、刀具的品質、零件的材料以及加工成本等多個方面，合理調整切削參數來最終確定最優的切削參數[4]。本文結合機床的實際應用情況及參考相關文獻[5]，設定加工工藝參數，見表1。

3 整體葉輪的CAM編程

在確定加工工藝后，需編制刀具軌跡，優異的刀具軌跡可保證零件有較好的表面質量和加工效率[6]。在Cimatron中編制整體葉輪的刀路軌跡。

(1) 粗加工刀路軌跡的編制。粗加工要求去除大量的材料，本次粗加工分為葉輪的整體粗加工和葉片倒扣部分粗加工。采用Cimatron中“體積銑”的“環繞粗銑”編制整體葉輪粗加工的刀路軌跡，如圖4所示。

表1 整體葉輪的可參考加工參數

(2) 半精加工刀路軌跡的編制。半精加工是為了進一步去除粗加工后留下的余量，余量均勻。在Cimatron中創建五軸“航空銑”刀路軌跡，對葉片曲面、流道曲面和包覆曲面進行半精加工。其中葉片曲面的半精加工刀路軌跡，如圖5所示。

(3) 精加工刀路軌跡的編制。對葉輪的精加工采取五軸“航空銑”，為葉片曲面、流道曲面和包覆曲面編制精加工刀路軌跡。其中流道曲面和包覆曲面的精加工道路軌跡，如圖6所示。在Cimatron中確保生成的刀具軌跡無干涉等問題后，即可進行后置處理生成NC程序。

4 VERICUT加工仿真和程序優化

VERICUT是一款先進的數控加工仿真軟件，具有強大的加工仿真、驗證、優化及分析功能，能夠正確地反映在真實加工中刀具、毛坯、夾具及各軸的運動情況[7]1，可以檢測加工過程中可能存在的碰撞、干涉、過切和欠切等問題，同時還可以對NC程序進行優化，提高加工效率，改善零件的表面質量。

五軸加工中心運動相對多樣，加工的成本較高，整體葉輪必須采用五軸聯動加工，其刀路軌跡較為復雜。為進一步確保NC程序的安全性，提高加工效率和整體葉輪的表面質量，在VERICUT中構建了DMU60 monoBLOCK五軸數控仿真平臺，對整體葉輪的NC程序進行仿真驗證及優化，其操作流程，如圖7所示。

圖7 VERICUT加工仿真和刀具軌跡優化的流程

4.1 五軸數控仿真平臺的構建

DMU60 monoBLOCK的五軸數控仿真平臺的構建包括四個步驟[7]82-83。

(1) 建立機床的幾何模型。通過實測五軸機床DMU60 monoBLOCK并在UG NX軟件中建模和裝配，得到五軸機床DMU60 monoBLOCK的三維裝配模型，如圖8所示。

圖8 五軸機床DMU60 monoBLOCK的三維裝配模型

(2) 建立機床的運動學模型。在VERICUT中，構建DMU60 monoBLOCK的五軸數控仿真平臺的運動模型要明確各組件之間的運動關系，根據實際機床的運動確定其兩大傳動鏈，如圖9所示。

根據圖9所示的運動學關系在VERICUT中添加機床床身、三個線性軸(X軸、Y軸和Z軸)、兩個旋轉軸(B軸和C軸)、主軸、刀具以及附屬(夾具、工件和毛坯)組件，再添加相應的組件模型，DMU60 monoBLOCK運動學模型構建完成后的項目樹，如圖10所示。

圖9 五軸機床DMU60 monoBLOCK的運動學傳動鏈

圖10 建立完成的組件樹

構建完成的DMU60 monoBLOCK機床的運動模型，如圖11所示。

(3) 配置機床的控制系統文件。選用Heidenhain iTNC530數控系統，在“配置-文字格式”中根據機床實際運動設置關鍵字的格式，在“配置-文字/地址”中，對關鍵字進行函數和宏的匹配。

(4) 設置機床的基礎參數。包括機床的初始位置、換刀點、行程極限以及碰撞檢測等。

至此，完成DMU60 monoBLOCK五軸數控仿真平臺的構建。

4.2 進行加工仿真

DMU60 monoBLOCK五軸數控仿真平臺建完后，在實際加工零件驗證時，需做以下工作：

(1) 建立加工整體葉輪的刀具庫，設置加工坐標系；

(2) 添加Cimatron后置處理的NC程序，并添加毛坯和整體葉輪模型;

(3) 進行整體葉輪的加工仿真，仿真結束后，未觀察到碰撞和干涉，工件也未出現過切和欠切，如圖12所示。

4.3 NC程序優化

本文采用VERICUT的OptiPath功能對NC程序進行優化，優化的本質是主軸轉速和進給速度的重新計算[8]。優化的基本原理是根據當前所使用刀具及其刀路軌跡，計算每步程序的切削量，進行計算分析。當材料去除量較大時，VERICUT就降低切削速度；當材料去除量較小時，就提高切削速度，從而調整主軸轉速，插入新的進給速度，進而對NC程序進行優化，優化后的NC程序并不會改變原來的刀路軌跡。

NC程序的優化過程如下：

(1) 在刀具庫中為所有的刀具建立優化庫。選擇優化方法，設置“主軸轉速”等參數；在“設定”選項卡中設置“解析度距離”“最小進給率的改變”“整理進給率”等相關參數；最后設置“極限”選項卡中的參數[7]185-186，如圖13所示。

(2) 調用刀具優化庫，再次進行加工仿真，對NC程序進行優化。當加工仿真結束時，刀路軌跡的優化完成，優化后的程序被寫入指定的Optimized Toolpath文件里。

圖13 優化庫參數設置

4.4 優化結果分析

對比優化前后的NC程序，可以看到在原來的NC程序的進給速度是恒定的，優化后的NC程序被分為很多子步，VERICUT根據切削情況為每一段子步中插入了新的進給速度，如圖14所示。

圖14 優化前后加工程序對比

表2是優化前后時間對比表，從表2中可以看到優化后的加工時間比優化前節省了34.89%，從而大大節省了加工時間，提高了生產效率。

表2 優化前后時間對比

采用優化后的NC程序，在DMU60 monoB-LOCK五軸數控加工中心上加工整體葉輪，加工完成的葉輪，經檢測加工尺寸精度和表面粗度均符合要求，如圖15所示。

圖15 加工完成的葉輪

5 總結

本文以企業實際生產某葉輪為例，對整體葉輪五軸數控加工與仿真優化作了如下工作：

(1) 分析了葉輪加工的難點，制定了合理的加工工藝，對程序編制中的刀路進行了詳細解析。

(2) 通過對DMU60monoblock實際機床建模，應用VERICUT 軟件，對構建五軸虛擬仿真平臺進行了整體葉輪的加工仿真，確保了實際加工的安全性和穩定性。

(3) 最后，應用優化模塊對加工程序進行了優化，提高了加工效率。

本文通過對整體葉輪的加工分析與優化，為復雜零部件加工的五軸加工過程提供了參考經驗。

參考文獻：

[1] 呂程輝. 整體葉輪的五軸高速銑削加工工藝優化 [D]. 上海：同濟大學，2007.

[2] 姬俊峰. 復雜整體葉輪數控加工關鍵技術研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2009.

[3] 曾豪華. 基于UGNX6.0的整體葉輪加工工藝及數控編程[J]. 機械工程師, 2011(8):72-74.

[4] 張劍. 整體葉輪五軸數控銑削技術的研究[D]. 長沙：湖南大學，2012.

[5] 丁剛強. 整體葉輪五軸數控加工技術的研究 [J]. 制造技術與機床,2013(4): 100-103.

[6] 楊光.整體葉輪五軸數控加工與仿真研究[D]. 西安：西安科技大學,2013.

[7] 鄭貞平， 黃云林， 黎勝容. VERICUT數控仿真技術與應用實例詳解[M].北京:機械工業出版社,2011:1,82-83,185-186.

[8] 羅良清，張丹，李志明. 基于VERICUT的數控加工仿真與優化[J]. 湖北工業大學學報,2006,21(3):186-188.